CN108486096A - 一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，包括：磁基纤维素纳米微球制备，固定化载体制备，磁基纤维素固定化溶菌酶制备。本发明固定化操作简单，制备得到的磁基纤维素固定化溶菌酶形状均一，比表面积比较大，酶活回收率高，易于储存，应用于溶胞污泥减量化，易于回收，且重复使用稳定性良好，从而可以降低生物法溶胞污泥减量化成本，克服传统生物法溶胞技术中的酶回收难、成本高的缺点。

Description

一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法
技术领域
本发明属于溶菌酶固定化的方法领域，特别涉及一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法。
背景技术
目前，活性污泥法被广泛应用于城市污水处理(污水处理厂)中，其产生处理过程中产生了大量含水率超过95％的剩余活性污泥(WAS)。因此对污泥进行脱水处理是试验污泥减量最为直接也是最为有效的一种措施，是污泥处理环节中必不可少的一道环节。如何实现污泥的快速脱水及最大程度的脱水，已成为环境界深为关注的重大课题。
活性污泥是一个复杂的聚集体，主要是由有机残片、细菌菌体、无极颗粒、胶体等成分组成，这些物质镶嵌在由胞外聚合物(extracellular polymeric substance，简称EPS)构成的网状结构中。EPS是活性污泥絮体的一个重要组成部分，维持着污泥絮体结构和功能的完整性，决定着污泥的脱水性，疏水性和絮凝性。EPS污泥脱水是制约污泥减量化的关键技术之一，溶胞技术作为污泥原位减量化技术，受到国内外研究学者的广泛关注。目前污泥溶胞技术广泛运用基于物理、化学、生物及其联合作用，促使污泥中微生物细胞壁裂解，释放细胞内物质到液相中，从而达到破坏污泥絮体结构，改善污泥脱水性能的污泥调理技术。投加能分泌胞外酶细菌或胞外酶的溶胞技术在经济合理、操作简单、对设备无腐蚀、环保节能等方面显示了较大的优势。
酶是重要的生物催化剂，具有专一性强、催化效率高、无污染、反应条件温和等特点。酶也存在许多不足，如大多数的酶与底物和产物混在一起，反应结束后，即使酶仍有很高的活力，也难于回收利用，这种一次性使用酶的方式，不仅使生产成本提高，而且难于连续化生产；分离纯化困难，也会导致生产成本提高等。因此通过磁基固定化酶能实现其回收利用，降低其分离难度和使用成本。目前国内外对固定化溶菌酶的固定化采用有机、无机介孔材料等，如采用AB-8大孔树脂通过交联吸附法固定溶菌酶(食品科学，2012，33(17):216-220)，采用锐孔法以海藻酸钠微胶囊包裹微生物溶菌酶(广东农业科学，2013，19:101-104)，采用物理吸附法以介孔SiO2微球固载溶菌酶(石油学报，2015，31(5)：1136-1143)。但是这些固定化酶是应用在均相体系中反应。固定化溶菌酶溶胞污泥体系为非均相体系，这给固定化酶的回收造成困难。在非均相反应体系中，利用磁性纤维素微球固载溶菌酶溶胞污泥减量化的方法目前没有相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，该方法固定化操作简单，制备得到的磁基纤维素固定化溶菌酶形状均一，比表面积较大，酶回收率高，易于储存，应用于污泥水解减量化，易于回收，且重复使用稳定性良好，从而降低生物法溶胞污泥减量化成本。
本发明的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，具体步骤如下：
(1)将溶剂预冷，加入微晶纤维素，搅拌，离心，得到纤维素溶液，加入纳米四氧化三铁，搅拌，得到磁性纤维素溶液，加入到分散剂中，继续搅拌，分离，冷冻干燥，得到磁基纤维素纳米微球，其中，微晶纤维素与纳米四氧化三铁的质量比为4-8:0.2-0.5；
(2)将步骤(1)中磁基纤维素纳米微球与交联剂混合，加入缓冲液，震荡交联，过滤，得到固定化载体，冲洗，加入溶菌酶溶液，震荡吸附，分离，清洗，得到磁基纤维素固定化溶菌酶，其中磁基纤维素纳米微球、交联剂与溶菌酶的质量比为1:0.4～0.9:0.01-0.1。
所述步骤(1)中纳米四氧化三铁的制备方法为：将三氯化铁、乙酸钠和聚乙二醇以质量比为1-1.4:3-4:1加入到溶剂中，搅拌反应，冷却，分离，冷冻干燥，得到纳米四氧化三铁，其中三氯化铁与溶剂的比例为1g-1.4g:30mL-50mL。
所述溶剂为体积比为2:1的乙二醇和二乙二醇的混合溶剂；反应温度为180～250℃，反应时间为8～24h；分离是外磁场辅助分离。
所述步骤(1)中溶剂为水，预冷时加入氢氧化钠和尿素，氢氧化钠、尿素和水的质量比为7:10:83，微晶纤维素的质量是氢氧化钠、尿素和水总质量的3％～5％；或预冷时加入氢氧化钠、尿素和硫脲，氢氧化钠、尿素、硫脲和水的质量比为8:7:8:77，微晶纤维素的质量是氢氧化钠、尿素、水和硫脲总质量的3％～5％。
所述步骤(1)中预冷至-8℃～-12℃；分散剂为乳化好的体积比为15:1的液体石蜡与Span80的混合溶液。
所述乳化的条件为：乳化温度为25℃，乳化搅拌速度为3000r/min，乳化时间为45min。
所述步骤(1)中继续搅拌的时间为5h；分离的具体步骤为：用10％稀盐酸溶液调节pH值为7，静置分层，在外部磁场作用下分离除去上清液，依次用去离子水、丙酮清洗。
所述步骤(2)中交联剂为戊二醛，戊二醛的浓度为0.1％～4％；震荡交联的温度为3～40℃，震荡交联时间为1～10h；冲洗是用磷酸盐缓冲液；溶菌酶溶液的pH值为6.5～7。
所述步骤(2)中吸附温度为20～25℃，吸附时间为1～24h；震荡吸附中震荡的速度为150～200r/min；分离是外加磁场分离；清洗是用pH值为6.5～7的磷酸盐缓冲液冲洗三次。
所述步骤(2)中磁基纤维素固定化溶菌酶应用于污泥水解减量化。
所述步骤(2)中磁基纤维素固定化溶菌酶酶活力的测定，具体为：将磁基纤维素固定化溶菌酶0.1g加入到2ml、0.3mg/ml溶壁微球菌MIcrococcus Lysodeikticus菌悬液(溶剂为pH6.2的0.05mol/L磷酸盐缓冲液)25℃下恒温反应10min，取上清液，于450nm测定浊度的降低值。空白液为pH6.2、0.3mg/ml MIcrococcus Lysodeikticus菌悬液。其中，定义在规定条件下(25℃，pH6.2)于450nm处每分钟使吸光度值降低0.001为1个酶活力单位(1U)，由此得酶的比活力(specific activity)单位为U/ml。
相关计算公式：
本发明提供了新的污泥溶胞减量化技术，利用溶菌酶的高效催化作用，破坏污泥絮体中的胞外聚合物EPS，提高污泥的脱水效果，实现污泥的减量化。同时利用磁分离技术实现了酶的回收，降低酶溶胞成本。
有益效果
(1)本发明固定化操作比较简单，制备得到的磁基纤维素固定化溶菌酶形状均一，比表面积比较大，酶活回收率高，易于储存；
(2)制备得到的磁基纤维素固定化溶菌酶应用于溶胞污泥减量化，易于回收，且重复使用稳定性良好，从而可以降低生物法溶胞污泥减量化成本，克服传统生物法溶胞技术中的酶回收难、成本高的缺点。
附图说明
图1是本发明制备磁基纤维素纳米微球的流程示意图。
图2是实施例1制得的磁基纤维素纳米微球的透射电镜图。
图3是实施例1中纳米四氧化三铁和磁基纤维素纳米微球的磁滞曲线图。
图4是本发明制得磁基纤维素固定化溶菌酶的流程示意图。
图5是实施例1中不同质量分数的戊二醛对磁基纤维素固定化溶菌酶酶活力影响图。
图6是实施例2中交联时间对磁基纤维素固定化溶菌酶酶活力影响图。
图7是实施例3中酶用量对磁基纤维素固定化溶菌酶酶活力影响图。
图8是实施例4中吸附时间对磁基纤维素固定化溶菌酶酶活力影响图。
图9是实施例5中交联温度对磁基纤维素固定化溶菌酶酶活力影响图。
图10是实施例6中游离溶菌酶(a)和磁基纤维素固定化溶菌酶(b)促进污泥溶胞效果图。
图11是实施例7中流离溶菌酶和磁基纤维素固定化溶菌酶溶胞提高污泥沉降性能效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)取1.35g三氯化铁、3.6g乙酸钠和1.0g聚乙二醇加入到40ml的乙二醇和二乙二醇混合溶剂(体积比为2:1)中，机械搅拌，得到澄清黄色的溶液，转入聚四氟乙烯材质的高温反应釜中，密封，置于200℃高温干燥箱中反应8h，冷却至室温，外磁场辅助分离产物，并采用甲醇和水清洗数次，冷冻干燥至恒重，得到纳米四氧化三铁。
(2)配制100g氢氧化钠、尿素与水以质量比为7:10:83混合的溶液，预冷至低温-8℃～-12℃，加入5g微晶纤维素，快速搅拌形成透明均一的纤维素溶液，然后加入0.3g步骤(1)中纳米四氧化三铁，搅拌均匀，除去气泡，得到四氧化三铁-纤维素溶液，逐滴加入到含有300ml乳化完全的液体石蜡与Span 80混合(液体石蜡与Span80的体积比为15:1)的悬浮液的三颈烧瓶中，继续搅拌5h，然后用10％稀盐酸溶液调节pH值为7，静置分层，然后在外部磁场作用下分离除去上清液，利用去离子水、丙酮清洗数次，去除液体石蜡与Span80，冷冻干燥至恒重，得到磁基纤维素纳米微球(即Fe3O4@cellulose NPs)。
(3)将步骤(2)中磁基纤维素纳米微球0.1g溶于10ml水中，得到浓度为10mg/ml的磁基纤维素纳米微球溶液。用移液枪抽取7份1ml磁基纤维素纳米微球溶液，加入pH7.0磷酸盐缓冲液4.6mL，再分别加入400μL浓度为0.1％、0.2％、0.4％、0.5％、1％、2％、4％的戊二醛(交联剂)，25℃摇床震荡交联4h，磁分离过滤后得到固定化载体，用磷酸盐缓冲液冲洗三次，加入100μL 1mg/mL溶菌酶溶液，于150～200r/min、25℃下震荡吸附4h，外加磁场分离，pH值为7磷酸盐缓冲液冲洗三次，得到磁基纤维素固定化溶菌酶。测定该固定化溶菌酶酶的活力，如图5所示。从图中可以看出，戊二醛浓度为1％时，固定化溶菌酶酶的活力最高，达到13.78U/g，酶活回收率最大，达到55.2％。
图2表明：表明磁基纤维素纳米微球的已经合成粒径主要集中在400-500nm，纤维素层厚度为10-15nm。
图3表明：表明磁基纤维素纳米微球的饱和磁通量为34.87emu/g，说明其具有良好的磁分离性能。
实施例2
取6份1ml实施例1中磁基纤维素纳米微球溶液，分别加入400μL 1％的戊二醛(交联剂)和pH7.0磷酸盐缓冲液4.6mL，25℃摇床震荡分别交联1h，2h，4h，6h，8h，10h，磁分离过滤后得到固定化载体，用磷酸盐缓冲液冲洗三次，加入100μL 1mg/mL溶菌酶溶液，于150～200r/min、25℃下震荡吸附4h，外加磁场分离，pH值为7磷酸盐缓冲液冲洗三次，得到磁基纤维素固定化溶菌酶。测定该固定化溶菌酶酶活力，如图6所示。从图中可以看出，当交联时间为4h时，固定化溶菌酶酶的活力最高(12U/g)，固定酶酶活力回收率达到最大(47.8％)。
实施例3
取8份1ml实施例1中磁基纤维素纳米微球溶液，分别加入400μL 1％的戊二醛(交联剂)和pH7.0磷酸盐缓冲液4.6mL，25℃摇床震荡分别交联4h。磁分离过滤后得到固定化载体，用磷酸盐缓冲液冲洗三次，分别加入100μL、200μL、400μL、500μL、600μL、700μL、800μL、1000μL 1mg/mL溶菌酶溶液(1mg/mL)，于150～200r/min、25℃下震荡吸附4h，外加磁场分离，pH值为7磷酸盐缓冲液冲洗三次，得到磁基纤维素固定化溶菌酶。测定该固定化溶菌酶酶活力，如图7所示。从图中可以看出，当酶用量达到500μL(1mg/mL)时，活力回收率达到最高，为68.5％。
实施例4
取8份1ml实施例1中取磁基纤维素纳米微球溶液，分别加入400μL 1％的戊二醛(交联剂)和pH7.0磷酸盐缓冲液4.6mL，25℃摇床震荡分别交联4h。磁分离过滤后得到固定化载体，用磷酸盐缓冲液冲洗三次，加入500μL 1mg/mL溶菌酶溶液，于150～200r/min、25℃下分别震荡吸附1、2、4、6、8h、10h，外加磁场分离，pH值为7磷酸盐缓冲液冲洗三次，得到磁基纤维素固定化溶菌酶。测定该固定化溶菌酶酶活力，如图8所示。从图中可以看出，固定化酶活力回收率在最初的1h内就达到很高，在1h时达到最高位92％。
实施例5
取6份1ml实施例1中磁基纤维素纳米微球溶液，分别加入400μL 1％的戊二醛(交联剂)和pH7.0磷酸盐缓冲液4.6mL，分别于4，15，20，25，30，37℃摇床震荡交联4h。磁分离过滤后得到固定化载体，用磷酸盐缓冲液冲洗三次，加入500μL 1mg/mL溶菌酶溶液，于150～200r/min、25℃下震荡吸附1h，外加磁场分离，pH值为7磷酸盐缓冲液冲洗三次，得到磁基纤维素固定化溶菌酶。测定该固定化溶菌酶酶活力，如图9所示。从图中可以看出，室温(25℃)有利于固载酶酶活力回收，在此条件下活力回收率达到最高，为49.2％。
实施例6
取一系列25ml的三角瓶，分成数量相同的两组并编号A、B两组，分别加入50ml剩余污泥，然后在A组加入相同重量的游离溶菌酶(溶菌酶与污泥总悬浮固体TSS的质量比为9％)。B组加入相同酶含量的磁基纤维素固定化溶菌酶(实施例5中25℃条件下得到的固载酶)。将A，B两组三角瓶置于140r/min，35℃恒温振荡器上水解，水解时间分别0h，0.5h，1h，1.5h，2h。测定其EPS的水解产率，如图10，及表1所示。从图10及表1中可以看出，游离溶菌酶对EPS不同分层S-EPS，LB-EPS，TB-EPS的反应速率(见Table 1)分别为0.233，0.280，-0.105h-1。磁基纤维素固定化溶菌酶对S-EPS，LB-EPS，TB-EPS的反应速率(见Table 1)分别为0.120，0.201，-0.047h-1。
Table 1不同EPS组分在酶解下的反应速率
酶 动力学方程 速率常数Kh(h-1) R2值
游离溶菌酶(S-EPS) Y＝0.233x+0.064 0.233 0.90
游离溶菌酶(LB-EPS) Y＝0.280x+0.072 0.280 0.91
游离溶菌酶TB-EPS) Y＝-0.105x-0.032 -0.105 0.88
固载溶菌酶(S-EPS) Y＝0.120x+0.012 0.120 0.95
固载溶菌酶(LB-EPS) Y＝0.201x+0.019 0.201 0.98
固载溶菌酶(TB-EPS) Y＝-0.047x-0.010 -0.047 0.93
实施例7
取一系列25ml的三角瓶，分成数量相同的两组并编号A、B两组，分别加入50ml剩余污泥，然后在A组加入相同重量的流离溶菌酶(溶菌酶与TSS的质量比为9％)。B组加入相同酶含量的磁基纤维素固定化溶菌酶(实施例5中25℃条件下得到的固载酶)，同时设置空白对照C组(不加酶)。将A，B，C三组同时置于140r/min，35℃恒温振荡器上水解，水解时间4h。测定其污泥沉降速率，如图11所示，游离溶菌酶溶胞污泥沉降性能提高47.0％，磁基纤维素固定化溶菌酶沉降性能提高39.7％。

Claims (10)

1.一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，具体步骤如下：
(1)将溶剂预冷，加入微晶纤维素，搅拌，离心，得到纤维素溶液，加入纳米四氧化三铁，搅拌，得到磁性纤维素溶液，加入到分散剂中，继续搅拌，分离，冷冻干燥，得到磁基纤维素纳米微球，其中，微晶纤维素与纳米四氧化三铁的质量比为4-8:0.2-0.5；
(2)将步骤(1)中磁基纤维素纳米微球与交联剂混合，加入缓冲液，震荡交联，过滤，得到固定化载体，冲洗，加入溶菌酶溶液，震荡吸附，分离，清洗，得到磁基纤维素固定化溶菌酶，其中磁基纤维素纳米微球、交联剂与溶菌酶的质量比为1:0.4～0.9:0.01-0.1。
2.按照权利要求1所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中纳米四氧化三铁的制备方法为：将三氯化铁、乙酸钠和聚乙二醇以质量比为1-1.4:3-4:1加入到溶剂中，搅拌反应，冷却，分离，冷冻干燥，得到纳米四氧化三铁，其中三氯化铁与溶剂的比例为1g-1.4g:30mL-50mL。
3.按照权利要求2所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述溶剂为体积比为2:1的乙二醇和二乙二醇的混合溶剂；反应温度为180～250℃，反应时间为8～24h；分离是外磁场辅助分离。
4.按照权利要求1所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中溶剂为水，预冷时加入氢氧化钠和尿素，氢氧化钠、尿素和水的质量比为7:10:83，微晶纤维素的质量是氢氧化钠、尿素和水总质量的3％～5％；或预冷时加入氢氧化钠、尿素和硫脲，氢氧化钠、尿素、硫脲和水的质量比为8:7:8:77，微晶纤维素的质量是氢氧化钠、尿素、水和硫脲总质量的3％～5％。
5.按照权利要求1所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中预冷至-8℃～-12℃；分散剂为乳化好的体积比为15:1的液体石蜡与Span80的混合溶液。
6.按照权利要求5所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述乳化的条件为：乳化温度为25℃，乳化搅拌速度为3000r/min，乳化时间为45min。
7.按照权利要求1所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中继续搅拌的时间为5h；分离的具体步骤为：用10％稀盐酸溶液调节pH值为7，静置分层，在外部磁场作用下分离除去上清液，依次用去离子水、丙酮清洗。
8.按照权利要求1所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中交联剂为戊二醛，戊二醛的浓度为0.1％～4％；震荡交联的温度为3～40℃，震荡交联时间为1～10h；冲洗是用磷酸盐缓冲液；溶菌酶溶液的pH值为6.5～7。
9.按照权利要求1所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中吸附温度为20～25℃，吸附时间为1～24h；震荡吸附中震荡的速度为150～200r/min；分离是外加磁场分离；清洗是用pH值为6.5～7的磷酸盐缓冲液冲洗三次。
10.按照权利要求1所述的一种磁基纤维素固定化溶菌酶的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中磁基纤维素固定化溶菌酶应用于污泥水解减量化。
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